JP2010281732A - ガス濃度湿度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサを用いた簡易な装置構成によって、被検出ガスが大気であるときの湿度を正確に検出可能なガス濃度湿度検出装置を提供する。
【解決手段】センサ制御装置３は、一対の電極２１，２２を有する酸素濃度検出セルと、一対の電極１９，２０を有する酸素ポンプセルとを備える全領域ガスセンサを有する。電気回路部３０では、電極２１，２２間に生じる起電力Ｖｓが基準電圧となるように、電極１９，２０間に流れるＩｐ電流が制御される。基準電圧は、第１基準電圧に設定される一方、被検出ガスが大気であるときは第２基準電圧に設定される。被検出ガスの湿度が、第１基準電圧に制御された状態で検出されたＩｐ電流と、第２基準電圧に制御された状態で検出されたＩｐ電流との誤差ΔＩｐに基づいて検出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するためのガスセンサを用いて、被検出ガスが大気であるときの湿度を検出するガス濃度湿度検出装置に関する。

従来、自動車に使用されるセンサの一つとして、自動車エンジンなどの内燃機関の排気通路に取り付けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサが知られている。この酸素センサは、センサ素子を流れる電流の大きさが排気ガス中の酸素濃度に応じて変化することを利用して、酸素濃度の検出、ひいては排気ガスの空燃比を検出するものである。この酸素センサの駆動を制御するセンサ制御装置は、センサ素子を通電制御すると共に、センサ素子に流れる電流を電圧変換して電子制御装置（ＥＣＵ）に出力する機能を有しており、ＥＣＵはセンサ制御装置からの出力に基づき排気ガスの酸素濃度や空燃比を求めている。得られた排気ガスの酸素濃度や空燃比は、ＥＣＵにおいて、燃料噴射量の調整等の空燃比フィードバック制御に利用される。

自動車に搭載された酸素センサは、経時劣化や耐久劣化などによって特性が変化すると、同一条件下でのセンサ出力がシフトするおそれがある。そのため、酸素センサに生じた特性変化を、大気雰囲気中でのセンサ出力に基づいて補正することが知られている。例えば、ガスセンサに大気ガスを供給して、大気雰囲気に曝されたガスセンサの検出出力に基づいて、検出出力のゼロ点を校正する排出ガス濃度検出方法及びその装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、大気の湿度を検出し、その湿度に応じて大気条件出力を補正して大気較正値として採用し、その大気較正値を大気の酸素分圧に正確に対応させてセンサ特性の補正を正確なものとする空燃比検出装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−１４８９１０号公報 特開昭６２−２１４９号公報

しかしながら、大気雰囲気中に曝された酸素センサは、その大気雰囲気中の湿度の影響によって同一条件下でのセンサ出力が変化するおそれがある。例えば大気雰囲気が高湿度状態である場合は、低湿度状態に比して大気中の酸素分圧が低いため、酸素センサによって検出される酸素の分子数が実質的に少なくなってセンサ出力が低下する傾向を示すことが知られている。

具体的には、図８及び図９に示すように、大気雰囲気中に曝された酸素センサによって検出されるＩｐ値（ここでは、「大気Ｉｐ値」と称する。）は、高湿度状態のときのほうか低湿度状態のときよりも小さくなる傾向がある。なお、図８では、大気温度「３０℃」の条件のもと、相対湿度「０％」の低湿度状態と相対湿度「８０％」の高湿度状態とにおける大気ＩＰ値をそれぞれ検出した場合を例示している。相対湿度「０％」の低湿度状態では、大気中の気体組成（容積比）が窒素（Ｎ_２）「８０」，酸素（Ｏ_２）「２０」であるため、大気中の酸素濃度が「２０％」となる。一方、相対湿度「８０％」の高湿度状態では、大気中の気体組成（容積比）が窒素（Ｎ_２）「８０」，酸素（Ｏ_２）「２０」、水分（Ｈ_２Ｏ）「１．９５」であれば、大気中の酸素濃度が「１９．６％」となる。このような大気中の酸素分圧の違いによって、高湿度状態では大気ＩＰ値として例えば「３．８５４ｍＡ」が検出される一方、低湿度状態では大気ＩＰ値として例えば「３．７７７ｍＡ」が検出される。つまり、酸素センサが曝される大気中の湿度に応じて、検出される大気ＩＰ値に誤差ΔＩｐ（ここでは、「２．０％」程度）が生じる。

そのため、酸素センサに生じた特性変化を大気雰囲気中でのセンサ出力に基づいて補正しても、酸素濃度の検出時における湿度がその補正時の湿度と異なる場合には、その湿度差に起因してセンサ出力の検出精度が低下するおそれがあった。また、特許文献２に記載の空燃比検出装置では、大気雰囲気中の湿度を検出するための湿度センサを別途設けているため、装置構成が複雑となり製造コストが大きくなるおそれがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するためのガスセンサを用いた簡易な装置構成によって、被検出ガスが大気であるときの湿度を正確に検出可能なガス濃度湿度検出装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るガス濃度湿度検出装置は、第１固体電解質体及び当該第１固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有し、当該一対の第１電極のうちの一方の電極が、被検出ガスが導入される検出室内に配置され、他方の電極が基準となる酸素濃度雰囲気に晒される酸素濃度検出セルと、第２固体電解質体及び当該第２固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有し、前記一対の第２電極のうちの一方の電極が前記検出室内に配置され、当該一対の第２電極間に流れる電流に応じて、前記検出室に導入された前記被検出ガスに含まれる酸素の汲み出し又は汲み入れを行う酸素ポンプセルとを備えるガスセンサを有し、前記ガスセンサに接続されて前記被検出ガス中の特定成分のガス濃度及び前記被検出ガスが大気であるときの湿度を検出するガス濃度湿度検出装置であって、前記検出室内の酸素濃度と前記酸素基準室内の酸素濃度との差異に起因して前記一対の第１電極間に生じる電圧を検出し、当該一対の第１電極間に生じる電圧が制御目標電圧となるように前記一対の第２電極間に流れる電流を制御する電流制御手段と、前記被検出ガスが大気であるか否かを判別する雰囲気判別手段と、前記制御目標電圧を前記第１の電圧に設定する一方、前記雰囲気判別手段によって前記被検出ガスが大気であると判別された場合に、前記制御目標電圧を前記第１の電圧よりも大きい第２の電圧に設定する電圧設定手段と、前記一対の第１電極間に第１の電圧が生じた状態において、前記一対の第２電極間に流れる第１電流を検出する第１電流検出手段と、前記一対の第１電極間に前記第２の電圧が生じた状態において、前記一対の第２電極間に流れる第２電流を検出する第２電流検出手段と、前記雰囲気判別手段によって前記被検出ガスが大気であると判別されているときに前記第１電流検出手段によって検出された前記第１電流と、前記電圧設定手段によって前記第１の電圧を前記第２の電圧に変更した後に前記第２電流検出手段によって検出された前記第２電流とに基づいて、前記被検出ガスの湿度を検出する湿度検出手段とを備えている。

本発明の一態様に係るガス濃度湿度検出装置によれば、一対の第１電極を有する酸素濃度検出セルと、一対の第２電極を有する酸素ポンプセルとを備えるガスセンサを有する。一対の第１電極間に生じる電圧が制御目標電圧となるように、一対の第２電極間に流れる電流が制御される。制御目標電圧は、第１の電圧に設定される一方、被検出ガスが大気であるときは第２の電圧に設定される。そして、被検出ガスが大気であると判別されているときに検出される第１電流と第２電流とに基づいて、被検出ガスの湿度が検出される。これにより、被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するためのガスセンサを用いた簡易な装置構成によって、湿度センサを別途に設けることなく、被検出ガスが大気であるときの湿度を検出することができる。なお、制御目標電圧として設定される第１電圧、第２電圧としては、ガス検出室内に導入された被検出ガス中の水分が実質的に解離しない範囲で第１電圧を設定し、ガス検出室内に導入された被検出ガス中の水分が解離する範囲で第２電圧を設定することが好ましい。

また、本発明の一態様に係るガス濃度湿度検出装置において、前記第１電流検出手段によって検出された前記第１電流に基づいて、前記特定成分のガス濃度を検出するガス濃度検出手段と、前記第１電流検出手段によって検出された前記第１電流と、前記湿度検出手段によって検出された前記湿度とに基づいて、前記ガス濃度検出手段によって検出されるガス濃度を補正する補正値を決定する補正値決定手段とを備えてもよい。これにより、ガス濃度を補正値で補正することによって、被検出ガスに含まれる水分量の影響が排除されたガス濃度を得ることができ、センサ出力の検出精度を向上させることができる。

また、本発明の一態様に係るガス濃度湿度検出装置において、前記湿度検出手段は、前記第２電流から前記第１電流を減じた差分値に基づいて前記湿度を求めるようにしてもよい。これにより、第１電流と第２電流との差分を求めるという簡易な処理で、被検出ガスが大気であるときの湿度を精度良く検出することができる。

また、本発明の一態様に係るガス濃度湿度検出装置において、前記湿度検出手段は、前記第１電流検出手段によって検出される前記第１電流のうちで、前記制御目標電圧が前記第２の電圧に設定される直前に検出された前記第１電流に基づいて、前記湿度を検出するようにしてもよい。これにより、第１電流の検出タイミングと第２電流の検出タイミングの時間差を小さくして、第１電流が検出されたのちで第２電流が検出されるまでの間に湿度が変化してしまう不具合の発生を抑制することができる。

内燃機関１００の排気系周りの概略的な構成を示す図である。 全領域空燃比センサ１の概略的な構造を示す図である。 センサ制御装置３で実行されるメイン処理のフローチャートである。 基準電圧Ｖｓとポンプ電流Ｉｐとの関係を説明するためのグラフである。 被検出ガスの水分量とポンプ電流の誤差ΔＩｐとの関係を説明するためのグラフである。 基準電圧Ｖｓとポンプ電流Ｉｐとの関係を説明するための他のグラフである。 被検出ガスの水分量とポンプ電流の誤差ΔＩｐとの関係を説明するための他のグラフである。 従来における酸素濃度とポンプ電流との関係を説明するためのグラフである。 従来における温度とポンプ電流の誤差ΔＩｐとの関係を説明するためのグラフである。

以下、本発明を具体化したガス濃度湿度検出装置の一実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施の形態では、本発明に係るガス濃度湿度検出装置の一例として、ガスセンサの出力する検出信号に基づき、被検出ガス中の酸素濃度及び被検出ガスが大気であるときの湿度を検出することが可能なセンサ制御装置３を例に説明する。また、ガスセンサとしては、酸素濃度に応じてセンサ電流がリニアに変化する全領域空燃比センサ１を例に説明する。

まず、図１を参照して、センサ制御装置３が取り付けられる内燃機関１００の概略的な構成について説明する。内燃機関１００は自動車を駆動するためのエンジン１０１を有する。エンジン１０１には、エンジン１０１から排出される排気ガスを車外に放出するための排気管１０２が接続されている。排気管１０２の経路上には、全領域空燃比センサ１が配設されている。より詳細には、全領域空燃比センサ１は、排気管１０２の排気通路を流通する排気ガス中の特定成分（本実施の形態では酸素）のガス濃度を検出するガスセンサである。全領域空燃比センサ１は、自身とは離れた位置に配設されるセンサ制御装置３とハーネス（信号線）９１を介して電気的に接続されており、センサ制御装置３によって通電制御されて酸素濃度を検出する。センサ制御装置３はバッテリ８０から電力の供給を受けて駆動し、全領域空燃比センサ１を用いて検出した酸素濃度の検出信号をエンジン制御装置（ＥＣＵ）５に出力する。ＥＣＵ５では、全領域空燃比センサ１の出力に基づき、エンジン１０１の空燃比フィードバック制御が行われる。

本実施の形態では、エンジン１０１に燃料供給が行われているときは、上記のように排気ガスが全領域空燃比センサ１の検出対象となる。一方、エンジン１０１への燃料供給が停止された状態（フューエルカット期間）では排気管１０２内に大気が流通するため、排気管１０２内を流通する大気が全領域空燃比センサ１の検出対象となる。以下では、全領域空燃比センサ１の検出対象となる「被検出ガス」は、排気ガス及び大気のいずれも包含するものとして説明する。

次に、図２を参照して、全領域空燃比センサ１及びセンサ制御装置３の詳細を説明する。全領域空燃比センサ１は、内部に細長で長尺な板状をなすセンサ素子１０を、図示外のハウジング内に保持した構造を有する。全領域空燃比センサ１は、センサ素子１０の出力信号を取り出すためのハーネス９１を介して、全領域空燃比センサ１とは離れた位置に取り付けられるセンサ制御装置３と電気的に接続されている。

なお、本実施の形態では、全領域空燃比センサ１とＥＣＵ５との間にセンサ制御装置３を設けるとともに、全領域空燃比センサ１とセンサ制御装置３とでセンサユニット４を構成した場合を例示している。そして、本発明における「ガス濃度湿度検出装置」は、全領域空燃比センサ１に接続されたセンサ制御装置３（つまり、センサユニット４）に相当する。もちろん、センサ制御装置３の配設態様は適宜変更可能であり、例えばセンサ制御装置３をＥＣＵ５に組み込み、全領域空燃比センサ１とＥＣＵ５とによってセンサユニットとしてもよい。

まず、センサ素子１０の構造について説明する。センサ素子１０は、ジルコニアを主体とする固体電解質体１１，１３と、アルミナを主体とする絶縁基体１２，１７，１８，２４とを、絶縁基体１８，１７、固体電解質体１３、絶縁基体１２、固体電解質体１１、絶縁基体２４の順に積層した構造を有する。固体電解質体１１の両面には、白金を主体とする一対の電極１９，２０がそれぞれ形成されており、同様に、固体電解質体１３の両面にも一対の電極２１，２２がそれぞれ形成されている。そのうちの電極２２は、固体電解質体１３と絶縁基体２４との間に挟んで埋設されている。固体電解質体１１，１３及び絶縁基体１２，１７，１８，２４は、いずれも細長い板状に形成されており、図２ではその長手方向と直交する断面を示している。

絶縁基体１２の長手方向の一端側には、固体電解質体１１，１３を一壁面としつつ、被検出ガスを導入可能な中空のガス検出室２３が形成されている。ガス検出室２３の幅方向の両端には、ガス検出室２３内に被検出ガスを導入する際の流入量を規制するための多孔質状の拡散律速部１５が設けられている。なお、固体電解質体１１上の電極２０と、固体電解質体１３上の電極２１とは、ガス検出室２３内にそれぞれ露出されている。

なお、絶縁基体１８，１７の間に挟んで、白金を主体とする発熱抵抗体２６が埋設されている。絶縁基体１７，１８及び発熱抵抗体２６は、固体電解質体１１，１３を加熱して活性化させるためのヒータとして機能する。

固体電解質体１１上の電極１９は、その表面がセラミックス（例えば、アルミナ）からなる多孔質性の保護層２５に覆われている。つまり、排気ガスに含まれるシリコン等の被毒成分によって劣化しないように、電極１９が保護層２５によって保護されている。固体電解質体１１上に積層された絶縁基体２４は、電極１９を覆わないように開口が設けられており、保護層２５はその開口内に配設されている。

このように構成されたセンサ素子１０において、固体電解質体１１とその両面に設けられた一対の電極１９，２０は、外部からガス検出室２３内に酸素を汲み入れ、あるいはガス検出室２３から外部へ酸素を汲み出す酸素ポンプセル（以下、固体電解質体１１及び電極１９，２０を総じて「Ｉｐセル」ともいう。）として機能する。そして、固体電解質体１１が本発明の「第２固体電解質体」に相当し、一対の電極１９，２０が本発明の「一対の第２電極」に相当する。

同様に、固体電解質体１３とその両面に設けられた一対の電極２１，２２は、両電極間の酸素濃度に応じて起電力を発生させる酸素濃度検出セル（以下、固体電解質体１３及び電極２１，２２を総じて「Ｖｓセル」ともいう。）として機能する。また、電極２２は、ガス検出室２３内の酸素濃度の検出のための基準となる酸素濃度を維持する酸素基準電極として機能する。そして、固体電解質体１３が本発明の「第１固体電解質体」に相当し、一対の電極２１，２２が本発明の「一対の第１電極」に相当する。なお、Ｉｐセル及びＶｓセルの詳細な機能については後述する。

次に、センサ素子１０に接続されるセンサ制御装置３の構成について説明する。センサ制御装置３は、マイクロコンピュータ９及び電気回路部３０を構成主体としている。マイクロコンピュータ９は、公知の構成のＣＰＵ６、ＲＯＭ７、ＲＡＭ８等を搭載したマイコンチップである。なお、ＲＯＭ７には、ＣＰＵ６に各処理を実行させるための制御プログラムや、後述する湿度補正を行うための湿度補正テーブルなどが記憶されている。

電気回路部３０は、ヒータ通電制御回路３１、ポンプ電流駆動回路３２、電圧出力回路３３、微小電流供給回路３４及び基準電圧比較回路３５、ポンプ電流検出回路３６から構成される。

ヒータ通電制御回路３１は、発熱抵抗体２６の両端に供給される電圧ＶｈをＰＷＭ通電することで、発熱抵抗体２６を発熱させ、Ｉｐセル及びＶｓセルの加熱を行う。微小電流供給回路３４は、Ｖｓセルの電極２２から電極２１側へ微小電流Ｉｃｐを流し、電極２２側に酸素イオンを移動させて基準となる酸素濃度雰囲気を生成する。これにより、電極２２は、被検出ガス中の酸素濃度を検出するための基準となる酸素基準電極として機能する。電圧出力回路３３は、Ｖｓセルの電極２１，２２間に生ずる起電力Ｖｓを検出する。基準電圧比較回路３５は、予め定められた基準電圧と、電圧出力回路３３にて検出した起電力Ｖｓとの比較を行い、比較結果をポンプ電流駆動回路３２にフィードバックする。ポンプ電流駆動回路３２は、基準電圧比較回路３５から得られた比較結果に基づき、Ｉｐセルの電極１９，２０間に流すポンプ電流Ｉｐの大きさや向きを制御する。これにより、Ｉｐセルによるガス検出室２３内への酸素の汲み入れやガス検出室２３からの酸素の汲み出しが行われる。ポンプ電流検出回路３６は、Ｉｐセルの電極１９，２０間に流れるポンプ電流Ｉｐを電圧変換し、検出信号としてマイクロコンピュータ９に出力する。

本実施の形態では、基準電圧比較回路３５によって起電力Ｖｓと比較される基準電圧として、２つの基準電圧（第１基準電圧及び第２基準電圧）を有する。第１基準電圧は、電圧出力回路３３の比較結果をポンプ電流駆動回路３２にフィードバックして、ガス検出室２３内の雰囲気中の酸素濃度を制御したときに、ガス検出室２３内に導入された被検出ガス中の水分（Ｈ_２Ｏ）が実質的に解離しないような電圧値（例えば４５０ｍＶ）に設定される。

一方、第２基準電圧は、電圧出力回路３３の比較結果をポンプ電流駆動回路３２にフィードバックして、ガス検出室２３内の雰囲気中の酸素濃度を制御したときに、ガス検出室２３内に導入された被検出ガス中の水分（Ｈ_２Ｏ）が解離するような電圧値（例えば１０００ｍＶ）に設定される。

先述の基準電圧比較回路３５では、起電力Ｖｓと比較する基準電圧として、常時は第１基準電圧が用いられて被検出ガス中の酸素濃度がポンプ電流Ｉｐに基づいて算出される一方、全領域空燃比センサ１の湿度補正を行う場合に第２基準電圧が用いられるが、詳細は後述する。なお、ポンプ電流駆動回路３２，電圧出力回路３３，基準電圧比較回路３５が本発明の「電流制御手段」に相当する。そして、起電力Ｖｓと比較される基準電圧が本発明の「制御目標電圧」に相当し、第１基準電圧及び第２基準電圧がそれぞれ本発明の「第１の電圧」及び「第２の電圧」に相当する。

次に、ＥＣＵ５の構成について説明する。ＥＣＵ５は、自動車のエンジン１０１の駆動等を電子的に制御するための装置である。ＥＣＵ５には公知の構成のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を搭載したマイコンチップが用いられ、制御プログラムの実行にしたがって燃料の噴射タイミングや点火時期の制御が行われる。かかる制御を行うための情報として、センサ制御装置３から被検出ガス中の酸素濃度に応じた出力（検出信号）が入力される。また、その他の情報として、その他のセンサからの信号（例えば、エンジン１０１のピストン位置や回転数を検出できるクランク角、冷却水の水温、燃焼圧などの情報）も入力される。

次に、全領域空燃比センサ１を用いて被検出ガスの酸素濃度（排気ガスの空燃比）を検出する動作について簡単に説明する。なお、被検出ガスの酸素濃度を検出する際には、基準電圧比較回路３５で比較対象となる基準電圧として、第１基準電圧（例えば４５０ｍＶ）が設定される。図２に示すように、まず微小電流供給回路３４によりＶｓセルの電極２２から電極２１に向けて微小電流Ｉｃｐを流す。この通電より、電極２１側から電極２２側に固体電解質体１３を介して被検出ガス中の酸素が汲み込まれ、電極２２が酸素基準電極として機能する。そして、電圧出力回路３３により両電極２１，２２間に発生する起電力Ｖｓを検出し、この起電力Ｖｓを基準電圧比較回路３５で基準電圧と比較する。ポンプ電流駆動回路３２では、基準電圧比較回路３５による比較結果に基づいて、起電力Ｖｓが基準電圧となるようにＩｐセルの電極１９，２０間に流すポンプ電流Ｉｐの大きさや向きを制御する。

なお、ガス検出室２３内に流入した排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであった場合、排気ガス中の酸素濃度が薄いため、Ｉｐセルにおいて外部からガス検出室２３内に酸素を汲み入れるように、電極１９，２０間に流すポンプ電流Ｉｐが制御される。一方、ガス検出室２３内に流入した排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであった場合、排気ガス中には多くの酸素が存在するため、Ｉｐセルにおいてガス検出室２３から外部へ酸素を汲み出すように、電極１９，２０間に流すポンプ電流Ｉｐが制御される。このときのポンプ電流Ｉｐが、ポンプ電流検出回路３６にて電圧変換されて全領域空燃比センサ１の出力（検出信号）としてＥＣＵ５に出力される。ＥＣＵ５では、全領域空燃比センサ１から出力されるポンプ電流Ｉｐの大きさと向きに基づいて被検出ガス中に含まれる酸素濃度、ひいては排気ガスの空燃比を特定できる。

本実施の形態では、センサユニット４（全領域空燃比センサ１及びセンサ制御装置３）が、従来のセンサユニットと同様の構成を有しており、被検出ガスの酸素濃度（排気ガスの空燃比）の検出動作も従来と同様である。しかしながら、センサ制御装置３は、全領域空燃比センサ１を用いて、被検出ガスの酸素濃度（排気ガスの空燃比）のみならず、被検出ガスが大気であるときの湿度を検出することができる。そして、全領域空燃比センサ１からのセンサ出力を大気雰囲気中の湿度に応じて補正することができるが、以下詳述する。

次に、センサ制御装置３において実行されるメイン処理について、図３を参照して説明する。図３に示す各処理を実行させるプログラムも、先述のＲＯＭ７（図２参照）に記憶されており、ＣＰＵ６（図２参照）が実行する。このメイン処理は、内燃機関１００の駆動中に予め定められたタイミング毎に定期的に実行される。なお、電気回路部３０が有するヒータ通電制御回路３１，ポンプ電流駆動回路３２，電圧出力回路３３，微小電流供給回路３４，基準電圧比較回路３５，ポンプ電流検出回路３６の各駆動制御は、図３に示すメイン処理とは別途実行される。なお、内燃機関の起動後であって、図３に示すメイン処理が最初に実行される前段階では、センサ制御装置３において、基準電圧比較回路３５の基準電圧を第１基準電圧（例えば４５０ｍＶ）に設定して、Ｉｐセルに対するＩｐ電流の通電制御をポンプ電流駆動回路３２にて行うように構成されている。

図３に示すように、センサ制御装置３においてメイン処理が起動されると、まず全領域空燃比センサ１による被検出ガスが大気であるか否かが判断される（Ｓ１）。本実施形態では、内燃機関１００において燃料供給停止中であることを示す信号（以下、「フューエルカット信号」と言う。）が受信されたか否かに基づいて、被検出ガスが大気であるか否かが判断される。すなわち、マイクロコンピュータ９は、ＥＣＵ５から所定時間毎に内燃機関１００において燃料供給中であるか否かを示す信号を受信し、別途実行されるプログラムにより、受信した信号を随時ＲＡＭ８に記憶させている。Ｓ１では、フューエルカット信号がＥＣＵ５から受信した最新の信号としてＲＡＭ８に記憶されているか否かに基づいて、フューエルカット信号を受信したか否かが判断される。

フューエルカット信号が受信されている場合は、内燃機関１００において燃料供給停止中であるため、排気管１０２の排気通路が大気で満たされる。つまり、センサ素子１０が大気雰囲気に曝されるため、被検出ガスが大気であると判断される（Ｓ１：ＹＥＳ）。なお、フューエルカット信号を連続して受信している期間、別途実行されるタイマ更新プログラムにより、図示外のタイマが所定期間毎に更新され、ＲＡＭ８に記憶される。よって、図示外のタイマは、フューエルカット信号を連続して受信している期間の長さ、つまり燃料供給が停止された時点（つまり、フューエルカット開始時）からの経過時間を示す。

Ｓ１にて被検出ガスが大気であると判断されると、内燃機関１００において燃料供給が停止された時点から所定時間を経過したか否かが判断される（Ｓ３）。Ｓ３の処理では、ＲＡＭ８に記憶されたタイマが、あらかじめＲＯＭ７に記憶されている所定時間を経過したか否かが判断される。燃料供給停止時から所定時間を経過したと判断された場合は（Ｓ３：ＹＥＳ）、排気管１０２の排気通路が十分に大気で満たされて、センサ素子１０の周囲の雰囲気が酸素濃度既知の大気となっている。

ついで、Ｓ５の処理に移行し、基準電圧比較回路３５にて設定される基準電圧が第１基準電圧（例えば４５０ｍＶ）のもとでのＩｐセルの電極１９，２０間に流れるポンプ電流Ｉｐを、ポンプ電流検出回路３６を介して「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」として読み込む（Ｓ５）。この読み込まれた「ＩＰ＿ｐｒｉｍａｒｙ」は、ＲＡＭ８に記憶される。ついで、基準電圧比較回路３５に設定される基準電圧を第１基準電圧から第２基準電圧（例えば１０００ｍＶ）に変更する処理が実行される（Ｓ７）。

ついで、Ｓ９の処理に移行し、基準電圧比較回路３５にて設定された基準電圧が第２基準電圧のもとでのＩｐセルの電極１９，２０間に流れるポンプ電流Ｉｐを、ポンプ電流検出回路３６を介して、「Ｉｐ＿ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」として読み込む（Ｓ９）。この読み込まれた「Ｉｐ＿ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」は、ＲＡＭ８に記憶される。ついで、基準電圧比較回路３５に設定される基準電圧を第２基準電圧から第１基準電圧に変更する処理が実行される（Ｓ１１）。

次に、ＲＡＭ８に読み込まれた「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」と「Ｉｐ＿ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」とから被検出ガスの水分量が計算される（Ｓ１３）。Ｓ１３では、「Ｉｐ＿ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」から「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」が減算されることによって、その差分のＩｐ電流が被検出ガスにおける湿度由来の酸素濃度（つまり、被検出ガスの水分量）を示し、ひいては被検出ガスの大気湿度を示す。

そして、上記の「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」と、Ｓ１３にて計算された水分量とに基づいて、大気湿度によって生じたＩｐ電流の誤差ΔＩｐを示す補正値が決定される（Ｓ１５）。ＲＯＭ７にあらかじめ記憶されている湿度補正テーブルには、「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」が示すＩｐ電流と被検出ガスの水分量との組合せにそれぞれ対応したＩｐ電流の誤差ΔＩｐが設定されている。Ｓ１５では、ＲＯＭ７の湿度補正テーブルを参照して、「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」及び水分量の組み合わせに対応するＩＰ電流の誤差ΔＩＰが補正値として決定される。Ｓ１５にて決定された補正値は、ＲＡＭ８の所定記憶エリアに設定される。

なお、Ｓ１３で水分量の計算に用いられる「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」は、基準電圧比較回路３５に設定される基準電圧を第１基準電圧から第２基準電圧に変更する処理であるＳ７の直前のＳ５の処理にて読み込まれることが好適である。これにより、「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」の検出タイミングと「Ｉｐ＿ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」の検出タイミングの時間差を小さくして、「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」が検出されたのちで「Ｉｐ＿ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」が検出されるまでの間に湿度が変化してしまう不具合の発生が抑制される。

ここで、ＲＯＭ７の湿度補正テーブルは、以下のような全領域空燃比センサ１のサンプリングを実施して設定される。すなわち、全領域空燃比センサ１を同一の温度条件の大気雰囲気に曝した状態で、湿度条件のみを異ならせて基準電圧に応じて出力されるポンプ電流Ｉｐを検出する。なお、全領域空燃比センサ１の個体差や性能などに応じて、同一の基準電圧に制御されたときに出力されるポンプ電流Ｉｐの大きさが異なることがある。そのため、全領域空燃比センサ１のサンプリングは、ポンプ電流Ｉｐの出力特性が異なる複数の全領域空燃比センサ１について行われることが好適である。

図４〜図７を参照して、上記のような全領域空燃比センサ１のサンプリング結果を例示する。なお、図４〜図７は、全領域空燃比センサ１を同一の温度条件「２５℃」の大気雰囲気に曝して、湿度条件を相対湿度として「２０％」，「５０％」，「８０％」，「１００％」にそれぞれ異ならせた場合における、所定幅で可変とされる基準電圧に応じて全領域空燃比センサ１から出力されるポンプ電流Ｉｐを検出したサンプリング結果を例示している。なお、相対湿度として「２０％」，「５０％」，「８０％」，「１００％」とした場合の大気中の気体組成（容積比）における水分量は、それぞれ「０．３８％」，「０．９５％」，「１．５２％」，「１．８９％」となる。

例えば、図４及び図５は、Ｉｐ電流の出力傾向が相対的に大きい全領域空燃比センサ１のサンプリング結果を例示している。図４に示すように、全領域空燃比センサ１では、基準電圧を例えば「８０ｍＶ」から上昇させた場合、基準電圧が上昇するのに伴ってポンプ電流Ｉｐが大きくなる。そして、基準電圧が「２００ｍＶ」よりも大きくなると、固体電解質体１３にて被検出ガスに含まれる酸素を十分に移動させることが可能となるため、ポンプ電流Ｉｐがほぼ安定する。さらに、基準電圧が「９００ｍＶ」よりも大きくなると、固体電解質体１３にて被検出ガスに含まれる水分から酸素を解離可能となるため、ポンプ電流Ｉｐが上昇する。このとき、より湿度が高い条件下の全領域空燃比センサ１であるほどポンプ電流Ｉｐの上昇幅が大きい一方、より湿度が低い条件下の全領域空燃比センサ１であるほどポンプ電流Ｉｐの上昇幅が小さい。そして、基準電圧が「１０００ｍＶ」よりも大きくなると、固体電解質体１３にて被検出ガスに含まれる水分から十分に酸素を解離可能となる。

図５に示すように、図４のサンプリング結果を参照すると、各湿度条件「２０％」（水分量０．３８％），「５０％」（水分量０．９５％），「８０％」（水分量１．５２％），「１００％」（水分量１．８９％）における、第１基準電圧（ここでは、４５０ｍＶ）のポンプ電流Ｉｐと第２基準電圧（ここでは、１０００ｍＶ）のポンプ電流Ｉｐとを比較した誤差ΔＩｐは、それぞれ「０．０３０４ｍＡ」，「０．０７７９ｍＡ」，「０．１２４２ｍＡ」，「０．１５０４ｍＡ」となる。その結果、ｘ軸を水分量（％）、ｙ軸をポンプ電流の誤差ΔＩｐ（ｍＡ）としたときの相関関数は、以下となる。
ｙ＝０．０７９９ｘ＋０．００１１
このとき、相関係数Ｒの２乗値（Ｒ−２乗値）は、以下となる。
Ｒ^２＝０．９９９１

一方、図６及び図７は、ポンプ電流Ｉｐの出力傾向が相対的に小さい全領域空燃比センサ１のサンプリング結果を例示している。図６に示すように、ポンプ電流Ｉｐの出力傾向が相対的に小さい場合も、基準電圧の大きさに応じたポンプ電流Ｉｐの挙動は、出力傾向が相対的に大きい傾向の場合（図４）と同様である。

図７に示すように、図６のサンプリング結果を参照すると、各湿度条件「２０％」（水分量０．３８％），「５０％」（水分量０．９５％），「８０％」（水分量１．５２％），「１００％」（水分量１．８９％）における、第１基準電圧（ここでは、４５０ｍＶ）のポンプ電流Ｉｐと第２基準電圧（ここでは、１０００ｍＶ）のポンプ電流Ｉｐとを比較した誤差ΔＩｐは、それぞれ「０．０５７５ｍＡ」，「０．１０４４ｍＡ」，「０．１６１６ｍＡ」，「０．２７８４ｍＡ」となる。その結果、ｘ軸を水分量（％）、ｙ軸をポンプ電流の誤差ΔＩｐ（ｍＡ）としたときの相関関数は、以下となる。
ｙ＝０．１３６８ｘ＋０．０１１７
このとき、相関係数Ｒの２乗値（Ｒ−２乗値）は、以下となる。
Ｒ^２＝０．９０１５

上記のような全領域空燃比センサ１のサンプリング結果に基づいて、ポンプ電流Ｉｐと被検出ガスの水分量との組合せに対応してポンプ電流の誤差ΔＩｐ（つまり、補正値）が、ＲＯＭ７の湿度補正テーブルにあらかじめ設定される。なお、湿度補正テーブルには、上記の補正値に代えて、ポンプ電流Ｉｐにそれぞれ対応する相関関数を設定してもよい。この場合、先述のＳ１５では、「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」に対応する相関関数に基づいて、Ｓ１３にて計算された水分量に対応するポンプ電流の誤差ΔＩｐが補正値として計算される。

メイン処理（図３）に戻り、Ｓ１５にて補正値が決定されて、当該補正値がＲＡＭ８の所定記憶エリアに設定されると、メイン処理（図３）が終了される。なお、ＲＡＭ８に設定された補正値は、マイクロコンピュータ９（ＣＰＵ６）における別途の処理において、基準電圧比較回路３５の基準電圧が第１基準電圧に設定されているもとでポンプ電流検出回路３６を介して検出されるポンプ電流Ｉｐの補正値（Ｉｐ電流の誤差ΔＩｐ）として用いられる。これにより、図３に示すメイン処理のＳ１５にて補正値が決定されれば、それ以後にマイクロコンピュータ９（ＣＰＵ６）にて別途に検出されるポンプ電流Ｉｐは当該補正値によって補正されることになる。そして、マイクロコンピュータ９が、上記補正値を用いて補正されたポンプ電流Ｉｐを酸素濃度の検出信号としてＥＣＵ５に出力することで、ＥＣＵ５は精度の良い酸素濃度や空燃比の算出が行え、ひいては精密な空燃比フィードバック制御を実現することができる。

なお、図３において、被検出ガスが大気でないと判断された場合は（Ｓ１：ＮＯ）、内燃機関１００において燃料供給中であって排気管１０２の排気通路が排気ガスで満たされていることを示す。また、燃料供給停止時から所定時間を経過しなかったと判断された場合は（Ｓ３：ＮＯ）、排気管１０２の排気通路が十分に大気で満たされる前に燃料供給が開始されたことを示す。これらの場合は、センサ素子１０の周囲の雰囲気が酸素濃度既知の大気でないため、いずれもメイン処理を終了させる。

ところで、上記実施形態のメイン処理（図３）において、Ｓ１を実行するＣＰＵ６が本発明の「雰囲気判別手段」に相当し、ポンプ電流検出回路３６及びＳ５を実行するＣＰＵ６が本発明の「第１電流検出手段」に相当し、Ｓ７、Ｓ１１を実行するＣＰＵ６が本発明の「電圧設定手段」に相当し、ポンプ電流検出回路３６及びＳ９を実行するＣＰＵ６が本発明の「第２電流検出手段」に相当し、Ｓ１３を実行するＣＰＵ６が本発明の「湿度検出手段」に相当し、Ｓ１５を実行するＣＰＵ６が本発明の「補正値決定手段」に相当する。また、上記実施形態の補正値を用いて補正されたポンプ電流Ｉｐを酸素濃度の検出信号としてＥＣＵ５に出力するマイクロコンピュータ９及びその検出信号に基づき酸素濃度や空燃比を算出するＥＣＵ５が本発明の「ガス濃度検出手段」に相当する。

尚、本発明は、以上詳述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。上記実施形態では、被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するガスセンサとして、被検出ガス中の酸素濃度を検出する全領域空燃比センサ１を用いた場合を例示したが、これに限定されない。例えば、被検出ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを用いても、上記と同様に湿度補正を行うことができる。

また、上記実施形態では、内燃機関への燃料供給が停止されたときに出力されるフューエルカット信号に基づいて被検出ガスが大気であることを判断しているが、これに限定されない。例えば、全領域空燃比センサ１が酸素濃度既知の補正用ガスをセンサ素子１０の周囲の雰囲気に充填する装置を備える場合には、補正用ガスが充填されるときに出力される信号に基づいて被検出ガスが大気であることを判断してもよい。

また、上記実施形態では、センサ制御装置３からポンプ電流ＩｐがＥＣＵ５に出力され、ＥＣＵ５がポンプ電流Ｉｐに基づいて被検出ガス中の酸素濃度、ひいては排気ガスの空燃比を特定しているが、これに限定されない。例えば、センサ制御装置３において、マイクロコンピュータ９（ＣＰＵ６）がポンプ電流Ｉｐ及び図３に示すＳ１５にて決定された補正値に基づいて被検出ガス中の酸素濃度や排気ガスの空燃比を特定し、その酸素濃度や空燃比をＥＣＵ５に出力するようにしてもよい。この場合、ポンプ電流Ｉｐ及び図３に示すＳ１５にて決定された補正値に基づいて被検出ガス中の酸素濃度や排気ガスの空燃比を特定するマイクロコンピュータ９が、本発明の「ガス濃度検出手段」に相当することになる。

１ 全領域空燃比センサ
３ センサ制御装置
４ センサユニット
９ マイクロコンピュータ
１０ センサ素子
１１ 固体電解質体
１３ 固体電解質体
２３ ガス検出室
３２ ポンプ電流駆動回路
３３ 電圧出力回路
３４ 微小電流供給回路
３５ 基準電圧比較回路
３６ ポンプ電流検出回路
１００ 内燃機関

Claims (4)

1. 第１固体電解質体及び当該第１固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有し、当該一対の第１電極のうちの一方の電極が、被検出ガスが導入される検出室内に配置され、他方の電極が基準となる酸素濃度雰囲気に晒される酸素濃度検出セルと、
   第２固体電解質体及び当該第２固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有し、前記一対の第２電極のうちの一方の電極が前記検出室内に配置され、当該一対の第２電極間に流れる電流に応じて、前記検出室に導入された前記被検出ガスに含まれる酸素の汲み出し又は汲み入れを行う酸素ポンプセルと
   を備えるガスセンサを有し、前記ガスセンサに接続されて前記被検出ガス中の特定成分のガス濃度及び前記被検出ガスが大気であるときの湿度を検出するガス濃度湿度検出装置であって、
   前記検出室内の酸素濃度と前記酸素基準室内の酸素濃度との差異に起因して前記一対の第１電極間に生じる電圧を検出し、当該一対の第１電極間に生じる電圧が制御目標電圧となるように前記一対の第２電極間に流れる電流を制御する電流制御手段と、
   前記被検出ガスが大気であるか否かを判別する雰囲気判別手段と、
   前記制御目標電圧を前記第１の電圧に設定する一方、前記雰囲気判別手段によって前記被検出ガスが大気であると判別された場合に、前記制御目標電圧を前記第１の電圧よりも大きい第２の電圧に設定する電圧設定手段と、
   前記一対の第１電極間に第１の電圧が生じた状態において、前記一対の第２電極間に流れる第１電流を検出する第１電流検出手段と、
   前記一対の第１電極間に前記第２の電圧が生じた状態において、前記一対の第２電極間に流れる第２電流を検出する第２電流検出手段と、
   前記雰囲気判別手段によって前記被検出ガスが大気であると判別されているときに前記第１電流検出手段によって検出された前記第１電流と、前記電圧設定手段によって前記第１の電圧を前記第２の電圧に変更した後に前記第２電流検出手段によって検出された前記第２電流とに基づいて、前記被検出ガスの湿度を検出する湿度検出手段とを備えたことを特徴とするガス濃度湿度検出装置。
2. 前記第１電流検出手段によって検出された前記第１電流に基づいて、前記特定成分のガス濃度を検出するガス濃度検出手段と、
   前記雰囲気判別手段によって前記被検出ガスが大気であると判別されたときに前記第１電流検出手段によって検出された前記第１電流と、前記湿度検出手段によって検出された前記湿度とに基づいて、前記ガス濃度検出手段によって検出されるガス濃度を補正する補正値を決定する補正値決定手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度湿度検出装置。
3. 前記湿度検出手段は、前記第２電流から前記第１電流を減じた差分値に基づいて前記湿度を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス濃度湿度検出装置。
4. 前記湿度検出手段は、前記第１電流検出手段によって検出される前記第１電流のうちで、前記制御目標電圧が前記第２の電圧に設定される直前に検出された前記第１電流に基づいて、前記湿度を検出することを請求項１〜３のいずれかに記載のガス濃度湿度検出装置。

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